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生物核磁共振技术在结构生物中的应用

作者:陕西保健网
来源:http://www.xapfxb.com/yuer
更新日期:2021-01-24 16:55

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2021年1月24日发(作者:苏德明)

生物核磁共振技术在
结构生物中的应用

——《化学生物学讲座课程论文》














核磁共振技术在化学生物学中的应用

摘要

波谱学(
S pectroscopy
)已全然改变了物理学、化学、生物学、药学和生
物医学等科学家的研 究工作,波谱技术成为研究大自然分子内部秘密的最可靠、
最有效的手段。

过去68
年(
1945-2013

,核磁共振(
Nuclear Magnetic Resonance, NMR
)是
最广泛地用于研究分子性质的波谱技术 ,它可从分子的三维结构到分子动力学、
化学平衡、化学反应、超分子、有机化学、无机化学、物理化学 、分析化学、材
料科学、药物化学、医学、生物化学
[1]
、分子生物学、细胞生物学 、遗传学、信
号传导等各个领域进行应用。
NMR
是研究物质微观和宏观结构以及相互 作用的
强有力技术手段,在物理、化学、生命科学、生物医药科学、材料科学、海洋科
学和环境 科学等学科领域的研究中发挥着越来越重要的作用
[2]


关键词


核磁共振技术;诺贝尔奖;蛋白质;多肽;结构;应用


核磁共振技术是
20
世纪
40
年代发展起来的一项新的分析技术。
利用核磁共
振技术可以在不破坏样品的情况下确定物质的化学结构及某种成分的密度分布,
其 应用已迅速扩展到物理、
化学领域之外的医疗、
生物工程等方面。
成为分析生
物大分子复杂结构和诊断病情最强有力的方法之一。


NMR
的基本原理是 利用一定频率的电磁波照射处于磁场中的原子核,原子
核在电磁波作用下发生磁共振,
吸收电磁 波的能量,
随后又发射电磁波,
即发出
磁共振信号。
由于不同原子核吸收和发 散电磁波的频率不同,
且此频率与核环境
有关,故可以根据磁共振信号来分析物质的机构成分及 其密度分布。

一.

结构生物学中的核磁共振技术

1


蛋白质结构的重要性

蛋白质结构是指蛋白质分子的 空间结构,作为一类重要的生物大分子,
蛋白质主要由碳、氢、氧、硫等化学元素组成。所有蛋白质都是 由
20

不同的
L

α
氨基酸链接形成的多聚体, 在形成蛋白质后,这些氨基酸
又被称为残基。
蛋白质和多肽之间的界限并不是很清晰,
有人基于发挥功
能性作用的结构域所需的残基数认为,若残基数少于
40
,就陈志伟多 肽
或肽。
要发挥生物学功能,
蛋白质需要正确折叠为一个特定构型,
主要是< br>通过大量的非共价相互作用(如氢键,离子键,范德华力和疏水作用)来
实现;此外,在一些蛋白 质(特别是分泌性蛋白质)的折叠中,二硫键也
起到关键作用。一定数量的残基对于发挥某一生物化学功 能是必要的;
40-50
个残基通常是一个功能性结构域大小的下限。蛋白质大小的范围可以从这样一个下限一直到数千个残基
[3]


不言而喻,蛋白质在人类 正常的生理活动中起到非常重要的作用。比如
人体在进行有氧呼吸是需要氧气,
而氧气是通过红 细胞的血红蛋白提供的;
催化细胞中的有机反应的酶绝大多数属于蛋白质。
而我们的皮肤、我们的
头发全部都是蛋白质,
我们的生活离不开蛋白质,
这样就凸显出了蛋白质< br>结构的重要性。
蛋白质的功能由蛋白质的结构决定,
人体中任何细胞的每
一项活 动都需要不同功能的蛋白质来完成,
因此,
测定蛋白质的结构显得
更加重要。目前为止 测定蛋白质的机构主要有三种方法,一是
X
射线晶
2


体 衍射技术,
这项技术的优点是所能测定的生物大分子的分子量范围很宽,
1-400kDa
且这项技术很成熟,
应用成本比较低廉。
缺点是我们需要制备
出适合< br>X
射线衍射的单晶体才能测定
[4]
。二是多维核磁的共振技术
[5]
。这
项技术的有点是用动态的溶液结构可研究动力学,
更接近于生理状态,

需要预先制备晶体。与
X
射线晶体衍射技术相对,这项技术的缺点是应
用成本 比较高,
测定速度慢,
只适用于分子量小鱼
30KDa
的可溶性蛋白,
并且需要用同位素标记来测定。
第三种技术是低温电子显微镜的三维电子
衍射图像重构技术。
这种技术的优点是可以测定分子量非常大的生物大分
子的复合体,
如病毒、
膜 蛋白的复合体等等,
但与多位核磁共振技术相比
较,这种方法才刚刚兴起,有待发展,且对蛋白 质的分辨率较低,不易识

[6]


核磁共振技术

当电子处于外加磁场中,
能级发生分裂。
公式



很好地为我
们做了解释。其中
h
为普朗克常数,
v
为外加频率。< br>γ
为磁旋比。当分子
的尺寸接近于普朗克常数时,无需考虑量子力学效应。当外加频率满 足
v=γB
0
/2π
时,原子核能够吸收频射能量使得电子从低能级跃迁到高 能级。
NMR
的参数有三个,分别是化学位移
δ
,它决定的是谱线的位置;标 量
耦合常数
J

Hz

,它决定的是谱线的分布图案和峰间 距;横向驰豫时间
T
2

s

,它决定谱线的半高宽
[7]
。而对于核磁共振衍射峰峰谱,并且告诉
我们,若测量的质子有
n
个 ,那么久会出现
n+1
个峰,并且我们发现了,
驰豫时间越短,
谱就越宽。< br>而在高能级的质子与周围的晶格发生反应使其
放出能量,质子此时由高能级跃迁到低能级。而对于
MRI
的核磁共振图
像而言,我们发现:


1
) 用
2D
1
H-
1
HNMR
测定多肽和蛋白质结构时,只能测 定分子量小
于等于
10KDaDE
多肽和蛋白质结构,在测定分子量大于
1 0kDa
的时候
遇到苦难,驰豫时间短,自旋体系很难被识别
[8]





2


3D/4D
异核
NMR
谱测定蛋白质溶液结构式,
可以利用化学位
移分布范围较宽的异核来减少谱峰 的重叠。比如
15
N

13
C
的分布范围就
比较广 ,
分别是从
100~140nm;0~200ppm.
利用较大的异核丁耦合来实现高
效率的核磁化转移,能测定的蛋白质大小可达几十
KDa
。分子量越大,
峰越 宽。
多肽和蛋白质溶液的测定方法有以下几种:
样品制备;
记录核磁
共振谱; 谱峰归属;确定二级结构单元;约束条件的建立和从
NMR
数据
到分子模型。

二、用同核二维
NMR
技术测定多肽的溶液结构
[9]


对于两栖类树蛙神经毒素多肽,经过细致的调查研究,发现两栖类
动物的皮肤对其生存起着重要 的作用。我可以提出两个问题,
in
的三维特征是什么?核磁共振得到的分子结构式是一组β
平行折叠的大
分子物质。
2.

in

co nkunitzin-S1
的结构差别在哪里?比较结果如
图所示。

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